Как паять многослойную плату термофеном без замыкания переходных отверстий и расслоения текстолита

Многослойная плата с массивным земляным полигоном напоминает хорошо защищённую крепость. Снаружи всё выглядит обычно: площадки, компоненты, дорожки. Но внутри залиты сплошные медные слои, которые с одинаковой готовностью поглощают тепло от паяльника и от фена. Именно поэтому то, что на двухслойной плате делается за 15 секунд, на четырёхслойной превращается в испытание терпения и понимания физики. Перегрел, недогрел, взял неподходящее сопло, не выставил преднагрев. И вот уже между двумя соседними переходными отверстиями затёк припой, или хуже, расслоился текстолит в зоне термоудара.

Почему многослойные платы так тяжело греть и так легко повредить

Четырёхслойная плата имеет типичную структуру: верхний сигнальный слой, внутренний слой земли, внутренний слой питания и нижний сигнальный слой. Слой земли в таких конструкциях занимает почти всю площадь платы сплошным медным полигоном толщиной 35 микрон. Медь обладает теплопроводностью около 385 Вт на метр на кельвин, что примерно в 1500 раз выше, чем у стеклотекстолита FR-4. Это означает одно: как только тепло от фена касается площадки через переходное отверстие связанное с земляным полигоном, оно мгновенно расплывается по всему слою. Греть локально становится почти невозможно. Полигон действует как гигантский радиатор, забирая энергию от точки нагрева и рассеивая её по всей плате.

Отсюда возникает соблазн просто увеличить температуру фена или поднять поток воздуха. Это худшее решение из возможных. При резком подъёме температуры верхний слой текстолита FR-4 прогревается значительно быстрее внутренних. Стеклотекстолит FR-4 имеет температуру стеклования Tg около 130-150 градусов Цельсия, а у его улучшенных вариантов FR-4 High Tg этот порог достигает 170-180 градусов. Ниже этой температуры материал упруг, выше начинает необратимо деформироваться. Неравномерный прогрев создаёт внутренние напряжения, расслаивает преппрег между слоями, и в итоге плата вздувается или трескается изнутри. Снаружи это может быть не видно сразу, а отказ наступит через несколько недель.

Что происходит с переходными отверстиями при перегреве и почему припой затекает туда, куда не должен

Переходное отверстие, или via, в многослойной плате представляет собой сквозное металлизированное отверстие диаметром от 0.2 до 1 мм, соединяющее слои медной трассировки. Стенки отверстия покрыты слоем меди толщиной 25-30 мкм. В зоне отверстия паяльная маска может быть нанесена или нет, и вот здесь начинается большая часть проблем при термообработке.

Открытое переходное отверстие без маски при прогреве феном ведёт себя предсказуемо плохо. Расплавленный припой с соседних площадок при сильном потоке воздуха просто перемещается к отверстию, втягивается в него капиллярными силами и заполняет его. Если рядом находится другое открытое via с другой цепью, между ними образуется перемычка из припоя. Прозвонка мультиметром покажет замыкание, которого не было до пайки. Особенно это характерно для плотных плат с шагом переходных отверстий 0.5-0.8 мм.

Второй сценарий опаснее и хуже диагностируется. При перегреве зоны флюс частично выгорает, покрытие via окисляется, и при последующем охлаждении столбик припоя внутри отверстия кристаллизуется с внутренними напряжениями. Трещина между стенкой via и припоем возникает позже, под рабочей нагрузкой. Контакт прерывается, схема ведёт себя хаотично, и найти такую неисправность без микросечения платы практически невозможно.

Инструмент и расходники которые реально меняют результат

Термофен для работы с многослойными платами должен иметь стабильную регулировку температуры с точностью плюс-минус 5 градусов и регулировку потока воздуха. Дешёвые китайские станции без обратной связи по температуре в реальности могут выдавать на 30-50 градусов больше или меньше установленного значения, и никакой опыт не поможет, если инструмент врёт. Минимально надёжный класс: станции с термопарой в сопле, самокалибровкой и цифровой индикацией.

Выбор сопла определяет зону нагрева. Для компонентов на многослойных платах применяют:

1. Круглые сопла диаметром 4-6 мм для точечного прогрева небольших SMD-компонентов в зоне плотного монтажа.
2. Квадратные и прямоугольные насадки для микросхем в корпусах QFP и SOIC, где нужно равномерно прогреть все выводы одновременно.
3. Широкие сопла диаметром 10-15 мм для предварительного прогрева зоны без перегрева отдельных точек.

Флюс при работе с многослойными платами выбирается безотмывочный, с умеренной активностью. Агрессивный кислотный флюс при высокой температуре атакует медь переходных отверстий и контактные площадки быстрее, чем можно ожидать. Нейтральный RMA-флюс или его аналоги в виде геля наносятся тонким слоем непосредственно в зону пайки, не растекаясь по всей поверхности.

Техника прогрева с предварительным нагревом платы снизу

Главный инструмент борьбы с тепловым ударом по многослойной плате: нижний подогреватель. Это устройство с ИК-излучателем или керамическими нагревателями, которое поднимает температуру всей платы до 100-130 градусов Цельсия равномерно и медленно, со скоростью подъёма не более 2-3 градусов в секунду. При такой подготовке внутренние слои достигают рабочей температуры вместе с внешними, разность температур по толщине платы минимальна, и тепловые напряжения в текстолите не возникают.

После выхода преднагревателя на рабочий режим фен устанавливается на температуру 280-320 градусов для бессвинцового припоя или 250-280 градусов для ПОС-61, поток воздуха выставляется на умеренный уровень. Сопло держится на расстоянии 15-20 мм от поверхности компонента и движется по спирали от периферии к центру. Это ключевой момент: периферийное движение прогревает зону равномерно, не создавая горячей точки в центре, откуда тепло не успевает уходить в полигон.

Время прогрева с работающим преднагревателем сокращается вдвое по сравнению с прогревом холодной платы, и именно это снижает риск перегрева. Плата, которую греют феном 60 секунд с нижним подогревом 130 градусов, получает примерно тот же суммарный тепловой пакет, что и плата без подогрева при 90 секундах работы фена. Но первый вариант прогревает равномерно, второй создаёт опасный градиент температур по глубине.

Как защитить соседние компоненты и переходные отверстия от попадания потока

Работа термофеном на плотной плате с переходными отверстиями требует физической защиты зон, которые не должны прогреваться. Для этого применяют термостойкий каптоновый скотч. Он выдерживает температуры до 250-300 градусов и надёжно закрывает соседние открытые via, SMD-конденсаторы с температурным ограничением, кристаллы кварцевых резонаторов и тонкие разъёмы из полиамида.

Каптон наклеивается вплотную к обрабатываемой зоне, перекрывая все открытые отверстия в радиусе 5-7 мм от точки нагрева. Этого расстояния достаточно: при правильно выставленном потоке воздуха температура на границе защищённой зоны не превышает 80-90 градусов. После пайки скотч снимается, и под ним обнаруживаются нетронутые площадки с исходным припоем.

Металлические теплоотводящие зажимы, которые крепятся к выводам компонентов по соседству с рабочей зоной, снижают температуру в точке крепления на 30-50 градусов. Для корпусов с пластиковыми деталями, чувствительными к температуре, это разница между успехом и расплавленным корпусом.

Проверка результата и признаки скрытого повреждения платы после пайки

После завершения пайки плата охлаждается естественным образом при работающем нижнем подогревателе, который медленно снижает температуру со скоростью 2-3 градуса в секунду. Резкое охлаждение, например обдув комнатным воздухом сразу после пайки, создаёт те же тепловые напряжения в текстолите, которых так старательно избегали при нагреве.

После полного остывания проводится визуальный осмотр под лупой или микроскопом. Признаки удачной пайки: равномерные галтели припоя на всех выводах, блестящая поверхность без матовых пятен холодной пайки, отсутствие перемычек между площадками. Признаки проблемы: потемнение маски вокруг переходных отверстий, вздутия текстолита в виде небольших пузырей, белый налёт выгоревшего флюса под компонентами.

Мультиметр в режиме прозвонки последовательно проверяет все цепи в зоне пайки. Особое внимание уделяется парам переходных отверстий разных цепей, расположенных рядом. Если между ними появилось сопротивление ниже нескольких кОм там, где его быть не должно, вероятнее всего между ними образовалась перемычка из припоя внутри отверстия или на поверхности.

Многослойная плата не прощает торопливости, но охотно вознаграждает тех, кто работает с пониманием того, что происходит внутри стеклотекстолита в эти несколько минут под феном. Правильный преднагрев, умеренный поток, защита соседних via и медленное охлаждение превращают потенциально разрушительную процедуру в рутинную и предсказуемую работу.